固定管板式换热器设计aaa.doc

前言前言 .2 列管式换热器机械设计列管式换热器机械设计 .3 一、问题重述一、问题重述 .3 1.11.1 设计题目设计题目 .3 1.21.2 已知条件已知条件 .3 二、计算二、计算 .4 2.12.1 管子数管子数 N N 4 2.22.2 管子的排列方式，管间距的确定管子的排列方式，管间距的确定 .4 2.32.3 换热器壳体直径的确定换热器壳体直径的确定 .4 2.42.4 换热器壳体壁厚的计算换热器壳体壁厚的计算 .5 2.52.5 换热器封头换热器封头的选择换热器封头换热器封头的选择 .5 2.62.6 封头法兰的选择封头法兰的选择 .6 2.72.7 管板尺寸的确定管板尺寸的确定 .6 2.82.8 管子拉脱力计算管子拉脱力计算 .9 2.92.9 折流板设计折流板设计 .11 2 21010 拉杆、定距管拉杆、定距管 .12 2.112.11 波形膨胀节的计算波形膨胀节的计算 .13 2.122.12 接管法兰的选择接管法兰的选择 .15 2.132.13 开孔补强开孔补强 .15 2.142.14 封头法兰垫片封头法兰垫片 .16 2.152.15 底座底座 .16 三、课程设计小结三、课程设计小结 .16 参考资料参考资料 .17 2 前言前言 换热器在工、农业的各个领域应用的十分广泛，在日常生活中也随处可见， 是不可缺少的工艺设备之一。换热器的研究备受各种研究机构的关注和重视， 其性能的每一点提高都意味巨大的经济与社会效益。 管壳式换热器虽然在换热效率、设备体积和金属材料的消耗方面不如其 他新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范 围广等，所以在各领域中仍得到广泛的应用。 对于学习化工机械的大学生来说，换热器设计是必须要了解和掌握的知识 之一。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅是确定一个或者多个 可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近最优的设计方案。 管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多的因素，如压力、温度、材料、 流体性质及检修清理等，通过各种因素的综合考虑，来选择合适的设计方案。 本次课程设计通过对固定管板式换热器的的结构设计以及整体装配的设计， 了解到换热器大体的设计过程和装配过程，丰富了我们所学习的知识，学以致 用，加强了我们对知识的实际应用能力，并且在设计过程中一些新的知识，开 阔了自己是思维，对我们以后的工作具有很大是指导意义。 本次课程设计由陈庆和王海波老师指导，特此表示感谢。由于设计者水平 有限，不足之处，还望指导。 xxx 2011 年 12 月 26 日 3 列管式换热器机械设计列管式换热器机械设计 一、问题重述一、问题重述 1.11.1 设计题目设计题目 年产 3000 吨合成氨厂变换工段换热器的机械设计。 1.21.2 已知条件已知条件 （1）气体平均压力： 管程：半水煤气 0.7 (绝压)；MPa 壳程：变换气 0.6（绝压） ；MPa （2）半水煤气进口温度 180，出口温度 370；变换气进口温度 400， 出口温度 220。 （3）由工艺计算求得换热面积为 130。 2 m 二、计算二、计算 2.12.1 管子数管子数 n n 换热管选用 323 的无缝钢管，材质为 20 号钢，换热管的长度推荐采 用 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0，12.0，本次设计选取管长为 3m 米。 管子的当量直径为: 。mmmdn029 . 0 29332 换热面积: LndA n 4 根 877.475 3029 . 0 130 Ld A n n 考虑到换热过程中的各种热量损失，圆整确换热管数量 n=476 根。 2.22.2 管子的排列方式，管间距的确定管子的排列方式，管间距的确定 换热管的排列方式采用正三角形排列，换热管中心距不宜小于 1.25 倍的换 热管外径，由 GB151-1999管壳式换热器表中表 12 可知换热管外径 时，换热管中心距。查表得六角形层数为 12 层，六角形mmd32mmS40 对角线上的管子数为 25 个。 2.32.3 换热器壳体直径的确定换热器壳体直径的确定 壳体内径: lbSDi2) 1( S换热管中心距，S=40；mm b正六角形对角线上的管子数，b=25 个； 最外层管子的中心到壳体边缘的距离，取 =2d； l l mmlbSDi10883222) 125(322) 1( 选取壳体内径。mmDi1100 2.42.4 换热器壳体壁厚的计算换热器壳体壁厚的计算( (不用改不用改) ) 壳体材料选取 A3R，已知壳体承受压力为，设计压力应该取大于MPa68 . 0 取设计压力，设计温度取 400，设壁厚在 3-16之MPa68 . 0 MPaPc1mm 间，此时材料的许用应力；钢板宽度在 2500-4000时，材MPa t 106mm 料的允许负偏差 C1=-0.8；对于碳素钢，腐蚀裕量 C2不小于 1，取mmmm C2=2；焊接接头形式为单面焊对接接头，局部无损检测，焊接接头系数mm =0.8。此时筒 体的计算厚度： 5 mm P DP c t ic c 524 . 6 18 . 01062 11001 2 实际所需厚度 mmCC c 324 . 9 21 所以材料的名义厚度可以圆整取。mm10 2.52.5 换热器封头换热器封头的选择换热器封头换热器封头的选择 上下封头均选择标准椭圆形封头，封头材料选 A3R，根据 JB/T4746-2002 标准，以内径为基准，封头公称直径，封头厚度也取mmDDN i 1100 ,曲面高度,查表可知封头总高度。mm10mmDh i 275 4 1 mmH300 封头结构如下图： 2.62.6 封头法兰的选择封头法兰的选择 材料选择 16Mn，根据 JB/T 4703-2000，选用 的榫槽密封面长颈对焊法兰，其规格尺寸如下图：MPaPNmmDN6 . 1,1100 6 2.72.7 管板尺寸的确定管板尺寸的确定 选用固定式换热器管板e型，管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法 兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用16Mn。单管程(延长部分兼作法兰 固定管板换热器管板，管板周边布管区较窄(管板周边布管区无量纲宽度 )，假定管板厚度为，管子加强系数为，则0 . 1kmm10K LE naED K p ti 318 . 1 2 （1） 式中： 壳程圆筒内径，； i Dmm 管板计算厚度，；mm 管子根数；n 一根换热管管壁金属的横截面积， ；a 2 mm 管板刚度削弱系数，取=0.4； 管子有效长度，；Lm 管子设计温度下的弹性模量，； i EGPa 7 管板设计温度下的弹性模量；。 p EGPa t t A D 4 （2） 式中： 管板布管区当量直径，； t Dmm 管板布管区面积， 。 t A 2 mm i t t D D （3） 式中： 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比。 t 对单管程换热器，三角形排列时： 2 866.0nSAt （4） )( tta dnn （5） 式中： 管间距，；Smm 管子壁厚，； t mm 管子外径，。dmm （4）式代入（2）式中得： nS A D t t 05 . 1 4 （6） （60）式代入（3）式化简得： i t D n S05.1 （7） 在实际设计工作中， (8)1( t Kk 8 且知：0.1k 所以，由(8)得：，即 ,0.1)1( t K K t 0.1 )1( (9) 由(9)代入(1)中，经化简得： 3 4 2 )1( )( 389.2 t p ittt LE DEdn （10） 由已知条件计算得： 833.0 1100 476 4005.105.1 i t D n S 设计温度为 400时，管子材料为 20 钢，弹性模量，管板GPaEi187 材料为 16Mn，弹性模量GPaEp185 mm LE DEdn t p ittt 587.23 3000185 )833.01(1100187)332(3476 389.2 )1( )( 389.2 3 42 3 4 2 所以管板的最小有效厚度为 23.587.取管板的有效厚度，并mmmm40 且将管板延长部分作为法兰和封头法兰配合形成榫槽面密封结构，则其他尺寸 如下图所示： 9 2.82.8 管子拉脱力计算管子拉脱力计算 管子和管板采用开槽胀接的方式连接，管板厚度大于 25时，需要开二mm 个槽。开槽，换热管外径为时，查表可知开槽深度 K=0.6，管子伸出32mm 段长度为 4+2，具体结构如下图所示：mm 拉脱力计算： 管子 壳体 材质 20 号钢 A3R 6 108 .11 6 10 8 . 11 EGPa210GPa210 尺寸 3000332101100 管字数： 476 根； 管间距： ；mmS40 10 管壳壁温差： ；Ct50 管子与管板连接结构： 开槽胀接； 胀接长度： 。mml44 (1)在操作压力下，胀接周边所产生的应力 P q dl PA qP 式中： 243232 10818 . 5 )1032( 4 )1040(866 . 0 4 866. 0m d SA MPaP7.0 ml044.0 MPa dl PA qP0945.0 044.0)1032( 10818.57.0 3 4 (2)在温差应力作用下，胀接周边所产生的应力 T q dl dd q ir T 4 )( 22 式中： st st r AA TTE 1 )( 22- n m10485. 301 . 0 11 . 1 DAs 2 222 2 130 . 0 4 476)026. 0032. 0( 4 )( mn dd A i t MPa AA TTE st st r 190.26 )03485 . 0 130 . 0 (1 501021010 8 . 11 1 )( 96 MPa dl dd q ir T 656 . 1 044 . 0 032. 04 )026 . 0 032. 0(1019.26 4 )( 22622 与的作用方向相同，则 P q T q MPaqqq TP 751.1656.10945.0 11 查表知碳素钢在开槽胀接时许用拉脱应力MPaq4 由于，拉脱力在许用范围内。MPaqq4 2.92.9 折流板设计折流板设计 折流板为弓形，查表可知折流板的名义外径： mmDND1094611006 折流板高度 范围内，取mmDNDNDNh880605)8 . 055 . 0 ()45 . 0 2 . 0( 。mmh850 查表知公称直径为 1100时，折流板的厚度。mmmm8 折流板的间距一般不小于圆筒内径的五分之一，换热管外径为时，钢32 管的最大无支撑跨距为 2200，在此范围内取折流板间距，则折mmmml600 流板数量为 4 个。 查表知，在间距时，折流板管孔直径取mmmml900600 30. 0 0 7 . 0 d 折流板结构如下图： 2 21010 拉杆、定距管拉杆、定距管 12 常用拉杆形式有两种： （1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于 19的管束，mm ； a Ll 2 （2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于 14的管mm 束。 由于本次设计所用换热管外径为 32，故采用拉杆定距管结构。mm 换热管外径为时，查表得对应的拉杆直径；圆筒公称直径32mmdn16 DN 为 1100，查得拉杆数量为 6 根，mm ，拉杆长度根据结构所需来确定，拉杆mmLa20mmLb60mmb2 结构如下： 拉杆定距管结构以及和管板的连接方式如下图所示: a Ll 2 拉杆应尽量均匀布置在管束外缘，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置 适当数量的拉杆，任何折流板应不少于 3 个支撑点。合理布置完拉杆后，根据 13 结构得出定距管数量为 18 根。 2.112.11 波形膨胀节的计算波形膨胀节的计算 根据 GB16749-1999 标准，选用一个 ZDL 型（立式）波形膨胀节，材料 Q235，其壁厚按下列两式计算，选用二者中较大值。 （1） C f 1.1 t s 水压 P Di exex MPa875.07.025.1 水压 P 1f MPa170 300 s 25. 0C ，由表查得 7 . 0 ex i ex D D 103 . 0 ,990 . 0 exex mm f P D t s iexex 8 . 825 . 0 1701 875.10 . 1 11000.103C 1 . 1 水压 （2） C f P DD t s iexex 水压 1.1 )(21.0 mm D D i ex 429.1571 7 . 0 mm ex 184.825.0 1701 875.01.1 )1100429.1571(21.0 取波形膨胀节的厚度与壳体厚度一样，即为 10，按下式进行应力 ex mm 校核： 14 n ex exk ex C Q )( )1(8.0 N nD TTEL Q exiexex exst k 892.54128 11 . 1)7 . 01 (990 . 0 06 . 0 01. 05031021010 8 . 11 )1 (06 . 0 )( 2 396 2 3 n ex exk ex MPa C Q 521.43 )00025 . 0 01. 0(14 . 3 3 . 0892.541288 . 0 )( )1 (8 . 0 22 MPa n 5.1901275.15.1 故膨胀节厚度符合要求，查表知膨胀节尺寸如下图所示： 2.122.12 接管法兰的选择接管法兰的选择 变换气进口选的接管，根据法兰标准 JB/T4703-2000，PN=1.610356 ，DN=350的对焊接管法兰，半水煤气选的接管，PN=1.6MPamm10325 ，DN=300的对焊接管法兰，材料为 20 钢。结构尺寸如下图所示：MPamm 15 2.132.13 开孔补强开孔补强 容器开口需要补强，常用的结构是在开口外面焊上一块与容器器壁材料和 厚度都相同，即 10的 A3R 钢板，查表可知补强结构尺寸，见下图：mm 2.142.14 封头法兰垫片封头法兰垫片 由于封头法兰所选的是长颈对焊法兰，采用榫槽密封面密封，故垫片选用 适用于长颈对焊法兰的缠绕垫片中的基本型垫片，根据 JB/T4075-2000 标准， 其结构尺寸如图所示： 16 2.152.15 底座底座 本次设计的换热器圆筒公称直径在 8004000范围内，圆筒长度 L 与mm 公称直径 DN 之比小于 5，容器总高度小于 10，故采用结构简单的支承式支m 座中的 B 型支座即可，根据 JB/T4712.4-2007 支承式支座标准，其结构尺寸具 体见装配图。 三、课程设计小结三、课程设计小结 三周的机械设计使我们认识到了作为一名工程技术人员需具备的素质，扎 实的专业知识和较宽的知识面，我们设计者之间团队的重要性，三周的时间里 的能够让我们学到很多很多的实际性的知识，怎样才能在这三周里更好的运用 学的知识来完成设计任务呢？这无疑让我们有时间做一个理性的思考。把所学 的知识在这次设计中和自己的想法结合起来并在自己 的设计中形象而生动的表 现出来，我认为此次课程设计是我们走向工作的前奏也算是对个人的一个实践 性的训练。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践